湖泊磷垂直分布毕业论文

一、概述

滇池是世界上磷质来源最丰富的湖泊之一，是研究磷的现代沉积和现代活着的微生物成矿作用的天然场所。研究发现，滇池微生物种群和数量繁多。但能对磷溶解、转化、迁移、聚集、沉积的微生物主要有解磷菌和聚磷菌两类，这两类微生物与滇池磷的含量之间有一系列规律的相关性：在底泥磷高含量区城，解磷菌的种群和数量与底泥磷含量成负相关关系，与水体磷含量成正相关关系，而聚磷菌的种群和数量与底泥磷含量成正相关关系，与水体磷含量成负相关关系；在底泥磷低含量区城，上述相关性相反。滇池中这种活着的微生物在自然环境条件下对磷的溶解、转化、迁移、聚集和沉积的作用，对古磷块岩微生物成矿说提供了可靠的依据，而且对因磷而引起的湖、海、江河环境污染的防治提供了理论资料。

滇池位于昆明市南郊，水域面积306km2，南北长，东西最大宽度12km。滇池是一个有20条汇水河流形成的汇水盆地，流域面积3000km2，出水河流只有西南部螳螂川一条。外湖东、南、西部陆上广泛分布大量寒武纪磷块岩，每年有大量磷质被带入，特别是南部和东部流经磷矿区的7条河流带入的磷质，例如柴河每年每平方千米输入总磷（TP）达355kg，为流域平均值的倍，磷的外源总带入量从1980年的336 t增至2000年的721 t，10多年来年平均增长率为（昆明环科所，1992），可以说滇池是世界上磷质来源最丰富的湖泊之一。因此滇池是磷的现代沉积与成矿作用实验研究的有利场所。为研究滇池磷的现代沉积与微生物对磷循环的作用，对滇池陆上磷质来源进行了调查的同时，在外湖施工6个钻孔（平均深）、两条剖面，按一定网度取表层（25～35cm，平均30cm，以下同）底泥样、在高含磷区与低含磷区的水域分上中下三层取水样及底泥孔隙水样，对以上所获样品作了相关测试分析，研究了滇池水质、全新统沉积物与磷的现代沉积、沉积物中微生物、滇池环境污染状况及原因等。其中对底泥磷的存在形式、含量、分布、细菌及其对磷的循环作用等作了较详尽的研究。

滇池为低矿化度、低硬度淡水湖，水质属 Ca2＋Mg2＋Na＋型水，即重碳酸钙镁钠水，偏碱性，pH值为～，平均，Eh值为-82～-106mV，平均。湖水总氮（TN）、总磷（TP）量浓度分别达和，超标倍和倍，属Ⅳ类污染湖泊。

滇池全新统沉积物中磷的含量（表2-2）与分布不均衡。w（P2 O5）在0～之间，平均（按磷矿地质要求，w（P2 O5）＝已达异常值），表层底泥大于的高含量区有2个，一是南至南西端15km×5km范围（称南区），另一是靠近东岸中部区（称东区），其南北长8km，东西宽3km的范围内（图2-21）。磷的沉积特点，一是产于黏土相带，二是相对比较半封闭的湖湾环境，三是携带磷质湖流抵达滨岸区，四是聚磷细菌的种群与数量大于解磷细菌的种群与数量。全新统沉积物磷的垂直分布的特征是表层含量大于深部，即在80cm以下w（P2 O5）基本稳定在～，而表层低磷区w（P2 O5）也在～之间，高磷区w（P2 O5）大于的测点占总测点的83%，35～80cm为磷浓度梯度突变深度，w（P2 O5）从升至。从中可以看到表层磷的含量高于其以下（80cm以下）沉积物磷含量的倍，表层沉积物磷含量横向分布不均，高磷区与低磷区w（P2 O5）平均值相差倍。表层底泥全磷总量约15万吨，其中有机磷8万吨，无机磷7万吨。表明近些年来城市与工业废水和磷矿大量开采使滇池磷含量迅速增高。

表2-2 底泥磷质量分数

滇池全新统沉积物中磷的存在形式有7种：

①钙结合态磷，占总磷的～，主要以水合磷酸钙Ca5 OH（PO4）3 与一定量生物骨骼形式存在；②铁结合态磷，占总磷的～，含量变化较大，含量高时有极微量的蓝铁矿微粒析出；③有机态磷，占总磷的20%，主要是有机污染物与死亡的生物（包括微生物）遗体中的磷；④铝结合态磷，占总磷的～，存在于铝硅酸盐与黏土矿物中；⑤吸附态磷，含量低，占总磷的以下，主要是沉积物颗粒表面吸附的磷；⑥水溶胶体磷；⑦磷块岩碎屑。

二、滇池微生物及其对解磷与聚磷作用的实验研究

（一）材料和方法

1.样品采集

在滇池44个不同位置取样，其中6个位点为钻孔样，样品单独存放，38个为表层底泥样，取其中20个位点的样品按自然区段合并为6个样，共计12个样品（图2-22）。将采集到的滇池底泥样品装在无菌的塑料袋内带回实验室，尽快分离，详见表2-3，表2-4。

表2-3 滇池底泥钻孔取样一览表

图2-21 滇池表层沉积物磷的质量分数（%）等值线图

表2-4 滇池表层底泥样合并一览表

图2-22 滇池钻孔、表层沉积物及微生物采样位置分布图

2.培养基

牛肉膏蛋白胨培养基细菌促孢培养。

3.分离及纯化

按常规稀释平板涂布分离法，27℃培养24h，挑起优势菌，经纯化后转4℃冰箱保存待用。

4.细菌鉴定

根据中国科学院微生物所《一般细菌常用鉴定方法》，1978；王大耜《细菌分类基础》，1927；范秀容等，《生物学实验》，1998；戈登等，《芽孢杆菌属》，1983进行细菌鉴定。

（二）结果与讨论

1.滇池底泥的细菌数量及分布特点

根据水质及底泥的具体情况将底泥划分为5大区域，分别称为北部、中部、东部、西部、南部，北部指 ZK1，中部指 R1，R2，R3，ZK3，东部指 ZK7，西部指 ZK5，南部指 R4，R5，R6，ZK6，ZK9，具体见图2-22，以此来研究滇池底泥的细菌分布特点。

在牛肉膏蛋白胨培养基上分离细菌，可获得包括好氧菌和兼性厌氧菌在内的异养菌。对细菌进行平板计数，其中，钻孔样点异养菌数量（×104个/g样）：ZK1为，ZK3为，ZK7为，ZK5为，ZK6为，ZK9为；表层底泥点异养菌数量（×104个/g样）：R1 为，R2为180，R3为130，R4为，R5为145，R6为70。

两组数据比较得出，表层底泥样点所带细菌数明显高于钻孔样。在第二组数据中，细菌生长最密集的点出现在位于中部的R2，R3及西南部的R5，其数量级达到106个/g样，而最低点出现在北部的R1。南部的R6及南部中央的R4位点，其数量级仅为105个/g样，相差约10倍。

2.滇池底泥的细菌类群

挑起12个样品中的优势菌，共得到68 株，其中，革兰氏阳性菌占，革兰氏阴性菌占，在革兰氏阴性菌中能进行发酵产酸的细菌又占了，氧化产酸的细菌仅占。细菌分类鉴定的结果主要有9个属的细菌（表2-5）。

表2-5 滇池底泥细菌鉴定结果

3.滇池的解磷细菌及其解磷作用

利用无机磷、有机磷培养基来分离底泥细菌，以期了解底泥中解磷菌与磷含量之间的关系。

（1）解磷菌的数量和分布及其与磷含量的关系

将滇池底泥磷的含量与解磷菌的分布数量比较，能清晰地显示其重要的相关关系。

根据各测点磷的含量（表2-2）及磷等值线图（图2-21），我们计算出12个样品中的磷平均质量分数［w（P2O5）/%］，具体如下：ZK1为，ZK3为，ZK7为，ZK5为，ZK6为，ZK9为，R1为，R2为，R3为，R4为，R5为，R6为。

据此，把滇池底泥划分为五大片（图2-22）：第一片在西部，靠近海口工业区。这一片等磷线密度最大，磷含量最高，它以ZK5为中心，向周围逐渐降低。第二片位于南端，包括ZK6和R4等位点，磷平均质量分数为，低于第一片；第三片包括北部和中部的大片区域，具体指ZK1，R1，R2，R3等位点，磷平均质量分数为，第四片位于最南部，包括R5，R6和ZK9等位点，磷平均质量分数为，底泥中磷含量最低的位点（D36为）便出现在这一区域。第五片指滇池东部，包括ZK3，ZK7位点，位置靠近柴河。

把细菌在有机磷、无机磷培养基生长数量和底泥磷含量综合起来分析（表2-6）。

表2-6 底泥磷含量（P2O5%）与细菌数量（×104个/g样）的关系

根据表2-6底泥磷含量由高到低的排列顺序是第一片＞第二片＞第三片＞第四片＞第五片。而细菌数量在无机磷培养基上由多到少的顺序是第五片＞第四片＞第一片＞第三片＞第二片，细菌数在有机磷培养基上由多到少的顺序是第五片＞第四片＞第二片＞第三片＞第一片。比较之后发现，细菌数和磷含量的顺序几乎是相反的，即底泥磷含量高的区域细菌数量少，而磷含量低的区域菌数量多，呈现一种负相关关系。

（2）滇池解磷菌的类群与磷含量的关系

分别挑起无机磷、有机磷平板上优势菌。在无机磷培养基上得到12 株优势菌，分属于4个属，在有机磷培养基上得到13株优势菌，分属于7个属，具体见表2-7。

表2-7 解磷菌的类群及属的出现率

在无机磷培养基上，种属丰富度最高的区域出现在第五片，4属细菌均在这里出现。在有机磷培养基上，种属丰富度最高的区域出现在第三片和第五片，总共7属细菌在两处有5个属。将上述两类培养基上出现的菌属数量综合起来，从高到低的排列顺序是第五片＞第三片＞第四片＞第二片＞第一片，而底泥磷含量从高到低的顺序是第一片＞第二片＞第三片＞第四片＞第五片，两个顺序间有这样一个很明显的关系：底泥磷含量高的区域，解磷细菌种属丰度小。

底泥磷含量与解磷菌的数量及种类呈现的都是一种负相关关系，这种相关性与该区水体刚好相反，即水体中的磷含量与解磷菌数量为正相关关系，从表2-6中看到，即使是磷含量最低的第五片，浓度也为 %（3400mg/L）。仍是水中的倍。这种情况不仅滇池如此，其他湖泊研究证明也具相同特点。夏宜争等（1994）在对湖北省黄州区生物塘的富营养化水体做研究时，也有关于磷含量与细菌数量关系的记录；在富营养水体中，总磷浓度，无机磷浓度时，细菌数为×105～×108个/L，出水时，COD和其他各项指标均已达标的情况下，细菌数量也随之下降，降至8×102～×105个/L，两组数据说明，两者呈正相关关系。

（3）解磷细菌的降（解）磷能力

试验进行到此阶段，我们发现许多细菌都具有解磷的能力，它们的解磷能力如何？研究结果如下：

所有优势菌中，出现率最高的是芽孢杆菌属和邻单胞菌属的细菌，芽孢杆菌属的优势菌35 株，邻单孢菌属的优势菌22株。将两类菌接种在阿斯贝培养基、有机磷、无机磷培养基、硅酸盐细菌培养基上，选择48 h内长势良好。又同时能固氮、解磷、解钾的细苗8株，其中芽孢杆菌5株，它们是d88，d146，d147，d84，d108，邻单胞菌3株.它们是d34，d132，d134，并检测这些菌株的解磷能力，绘出磷含量标准曲线，结果如图2-23和表2-8所示。

图2-23 磷含量标准曲线图

表2-8 分光光度计测量结果

从吸光值上，d108，d146和d34三株菌的吸光值是最大的，说明三株菌培养液中的可熔性正磷酸盐的浓度最高。相应地，三株菌的解磷能力也应是最高的，d34为邻单胞菌，另两株为芽孢杆菌，经鉴定d108为枯草芽孢杆菌（Bsubtilis），d146为巨大芽孢杆菌（μm），减去空白样的吸光值，再根据标准曲线计算出溶液含磷量，结果是分别转入了d108，d146，d34 三株菌的摇瓶培养液中，正磷酸盐的质量浓度分别是，，。

4.滇池聚磷菌及其对磷的沉积作用

聚磷菌是能从外界较多地摄取并在一定条件下能过量地吸收可溶性磷酸盐在体内合成多聚磷酸盐并积累储存于体内的一大类细菌。此次实验研究中，在滇池底泥两个高含磷区均发现了这类聚磷菌，主要有圆褐固氮菌（Azotobacter chroococcμm）、枯草芽孢杆菌（Bsubtilis）、硝化杆菌属、亚硝化杆菌属、单胞菌属、假单胞菌属、节细菌属、棒状杆菌属、有色杆菌属、微球杆菌属、分支杆菌属等。据考察，假单胞菌能积累的磷酸盐含量可达细菌干重的31%，多聚磷酸盐分子在菌体内与少量的蛋白质、核酸、脂肪及Mg2＋，K＋等阳离子形成复合物，有时Ca2＋亦可作为稳定离子存在于结合形式中，这些复合物聚集在一起，并与细菌内颗粒结合，体积可高达细菌总体积的60%。此次试验中，我们获得的聚磷菌主要分布于底泥高含磷区，而在滇池中部与北部低含磷区的底泥中则没有找到聚磷菌，这表明底泥之所以含磷高，主要是聚磷菌作用的结果，即溶解性磷的聚集、沉积主要是在聚磷菌的作用下完成的，特别是当聚磷菌的种类与繁衍量大于解磷菌时，磷质从水中向底泥迁移、沉积。

三、滇池磷的现代沉积与微生物成矿作用

近30多年来，国内外磷矿工作者在古磷块岩矿石中发现了大量与现代微生物形貌特点相似的推断的微生物化石，并就此讨论了磷块岩的微生物成矿作用（东野脉兴，1985～1992；沈丽娟等，1989；叶连俊，1998）。之所以说是推断的，是因为微生物化石个体微小，同时又难以找到可供鉴别的结构构造，也没有生物成矿的实验资料。作者是这方面较早的研究者之一，先后作过一些报道，曾率先提出磷块岩微生物成矿说，但一直为没有现代自然条件下微生物作用或实验研究的证据而感缺憾，为填补这一空白，作者等选择世界上磷质来源最丰富的滇池作为研究和实验场所，进行了滇池磷的现代沉积和在滇池自然条件下活着的微生物对磷沉积作用的实验研究工作（1999～2001年，国家自然科学基金资助项目），研究结果基本达到了预期目标，填补了这方面的空白。

本项实验研究证明，滇池磷的转化是解磷菌和聚磷菌两大类微生物完成的，解磷微生物代谢过程中产生的碳酸、硝酸、有机酸等完成难溶磷酸盐到可溶磷酸盐的转化，而聚磷微生物的聚磷作用则主要是它们能过量吸收可溶性磷酸盐于体内合成多聚磷酸盐并积累起来，完成可溶性磷酸盐向难溶磷酸盐的转化。

本次实验研究发现的能解磷的细菌主要有：巨大解磷芽孢杆菌μ×μm（磷细菌）、蜡状芽孢杆菌 、多粘芽孢杆菌 ，蕈状芽孢杆菌（ μm）等。此外，硝化菌类、硫化菌类在滇池分布也比较广泛，它们也可转化难溶性磷酸盐为可溶性磷酸盐。能聚磷的细菌主要有：圆褐固氮菌（Azotobacter chroococcμm）、枯单芽孢杆菌（⁃lis）、硝化杆菌属、亚硝化杆菌属，其他有气单胞菌属、假单胞菌属、节细菌属、棒状杆菌属、有色杆菌属、微球杆菌属、分枝杆菌属等。

研究两大类细菌与磷含量相关性发现，解磷菌种类和数量与底泥磷酸盐的含量成负相关关系，而与水中的可溶性磷酸盐成正相关关系，聚磷菌则与之正好相反，其种类和数量与底泥难溶磷酸盐含量成正相关关系。这表明解磷菌种类与数量及繁衍量大于聚磷菌时，底质中的磷向水体迁移；反之，水体中的磷向底质迁移、聚集。这个事实说明了微生物对磷的溶解、迁移与沉积的重要作用。

本次研究中发现了活着的解磷细菌与聚磷细菌并证实了其对磷的溶解、转化、迁移、聚集和沉积的作用，这不仅对古磷块岩的生物成矿提供了不是推断的而是实验证实了的可靠证据，而且对以磷为限制性因子的湖泊、海洋、江河环境污染的防治提供了理论资料。

细菌在磷酸盐矿物的形成过程中一是细菌代谢产生的H2 CO3，HNO3 及有机酸等可使外源进入的不溶性磷酸盐中的 游离出来；二是细菌在分解有机物（核酸）的过程中，创造出局部的碱性环境，使磷酸盐沉淀的形成成为可能。

湖泊中分散态的可溶性磷酸被磷细菌过量摄取，当这些微生物死亡后会重新分解。一部分磷素重新释放回到水体，另一部分在沉积界面上在微生物作用下生成难溶的磷酸盐沉积湖底，或者当死亡的微生物沉积速度大于分解速度时，磷也在底泥聚集，特别是当聚磷菌的种类和繁衍量大于解磷菌，并且死亡的聚磷菌沉降速度大于分解速度时，磷便在湖底富集。在滇池底泥中发现的Ca-P，Fe-P，Al-P，有机态磷，吸附态磷，水溶胶体磷等多种形式的磷，可能主要是聚磷菌作用下形成的。这种沉积于湖底非矿物态的各种形式的磷还可能进一步在微生物作用下向矿物态磷酸盐转变，因此可以认为湖底（包括海底）沉积的多种形式的磷转化成磷矿物是多因素的，既有生物的，也有物理的和化学的，特别是复杂的地质作用（例如成岩作用）仍然是一种重要作用。